電子也走單行道?金屬與半導體的奇妙互動

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現代科技帶給人們生活的便利不可勝數,許多科學家投身半導體科技領域。半導體與其他物質的交互作用可以產生豐富的應用,半導體碰到金屬時會形成蕭特基能障,再透過外加電壓調整能障大小,可以使電子單向通過,使電子電路產生整流的效果,若選擇合適的金屬與半導體作連結,則可以形成歐姆接觸,幫助科學家更精確地探索半導體的導電特性。

撰文|黃鼎鈞

 
圖1、半導體科技使得電子產品的運算能力大幅提升,便利人類生活。圖片出處Motionelements

半導體科技帶給現代人生活上極大的便利,生活周圍的電子產品都與半導體的發展脫不了關係。半導體是介於導體與絕緣體之間的物質,可成為電流的閥門,決定電流流通與否,進而作為數位邏輯運算的單元,亦能透過電子在材料中的躍遷,發展為許多光電產品,像是 LED燈泡,不僅如此,半導體與其他物質的交互作用也令科學家關注。電子在金屬中能自由的流動,但它能順利地從金屬游向半導體嗎?電子游的過去,但就一定游的回來嗎?我們需要認識金屬與半導體之間產生的奇妙效應。

 

蕭特基能障:電子流通的單行道

        蕭特基能障(Schottky barrier)是由德國物理學家蕭特基(Walter Hans Schottky)於1914年所提出,金屬與半導體接觸會形成一道能障(Φb),這彷彿一道牆阻礙電子在兩者之間的流動,這牆壁的高度是由「金屬的功函數」(Work function, W)及「半導體材料的電子親和力」(Electron affinity, χ)決定,可用 Φb = W - χ 此式表示,而金屬的功函數指的是「多少能量能使電子離開金屬」,電子親和力則代表「材料獲得電子的難易程度」,越大代表越容易獲得電子,在固態物理中的定義則是「從真空中將一個電子移入至半導體導帶所需要的能量」。根據蕭特基的理論,若金屬功函數與半導體的電子親和力相差越大,則兩者接觸面的能障越高。

若將電子當作筆者本人,金屬和半導體分別為生活中的麥當勞及肯德基,筆者原本在麥當勞用餐,若要筆者起身到肯德基聚餐,必須達到兩個條件:

  1. 麥當勞的餐點不夠吸引我(功函數不大),或者
  2. 肯德基的餐點更有吸引力(電子親和力很大),才能使筆者從麥當勞移到肯德基。

回到金屬與半導體,若金屬的功函數非常大,半導體的電子親和力很小,介於金屬與半導體間的蕭特基能障就非常高,電子難以從金屬流通至半導體。

圖2、此為金屬半導體接面的能帶圖,左為金屬、右為半導體,ΦB 是蕭特基能障,Ec是半導體的導帶,電子需通過蕭特基能障才能抵達半導體的導帶。透過施加正反電壓可以調節蕭特基能障的大小,使得電子只能單向流通。圖片出處:Wikimedia commons

 

蕭特基能障在半導體電子元件上具有「整流」的特性,也就是說電子只能往其中一個方向流動,不能雙向的流通。當施加正電壓於金屬半導體元件的半導體端上,電子會從金屬流向半導體,因為電子會被施加在金屬上的負電壓排斥,電子就容易往半導體的方向移動。反之,若將正電壓施加於金屬端,電子則無法從金屬流向半導體,因為電子容易被正電吸引,以至於電子更不容易離開金屬。以能量的角度來看,透過不同方向的電壓施加,可以調整蕭特基能障的大小,進而限制電子的移動方向,在日常生活最常見的應用之一就是將交流電(AC)轉為直流電(DC)。

 

然而,因為蕭特基能障的存在,也使科學家在量測半導體的電性時遇到困難,材料電性包含:電阻、電壓與電流等等的特性。當電性量測的探針扎進半導體材料裡,時常使樣品材料受傷,因此,通常會在半導體材料上鋪上一個金屬層保護樣品,但是金屬與半導體間形成的蕭特基能障,卻會影響電性的量測,使我們無法單純地瞭解電子在半導體材料中的特性。這時候就需要「歐姆接觸」概念。

圖3、此為電性量測示意圖。透過探針接觸半導體材料表面,可以量測其電性。圖片出處 Wikimedia commons

 

歐姆接觸:更精確地瞭解半導體材料的電性

歐姆接觸(Ohmic contact)可以說是蕭特基能障的一種特例,發生在金屬功函數與半導體的電子親和力相當時,也就是 Φb = W -χ ~ 0 表示金屬與半導體之間幾乎沒有形成能障,而電子流動於其間,符合歐姆定律的線性關係:電壓=電流 X 電阻(V = I x R),這樣的關係也顯示兩材料之間的電性特徵類似。若能夠找到不同半導體材料對應的金屬,就能避免形成蕭特基能障,就不會影響半導體材料的電性量測,也能減少電子在傳遞過程中的能量損失,同時最佳化電子元件的工作表現。

雖然蕭特基能障提供一個絕佳的理論,使科學家瞭解金屬與半導體的介面機制,實際情況卻從來無法完美符合理論模型,因為半導體元件的製備過程中,些許的汙染或金屬表面的氧化都會影響要素。因此,半導體製程的環境要求相當嚴苛,在無塵的環境且大多需於高真空狀態製作,以確保材料沒有額外的化學反應。如今,我們能擁有許多先進的半導體科技產品,多仰賴科學家們日以繼夜的探索,以及工程師們精益求精的改善製程。

 

註:本篇內容是以電子的觀點出發幫助讀者理解,一般常以「電流」來表達,而電流的行進方向與電子行進的方向相反。實際上,是因為帶有負電的電子移動使電路中產生相對的正電流,而有了電流的概念。所以讀者在搜尋更多延伸資料時,須注意「電流」與「電子流」的方向性喔!

 

 

參考資料:

  1. 半導體元件物理學第三版,作者施敏
  2. Wikipedia contributors. "Walter H. Schottky." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 12 Jan. 2023. Web. 22 Jan. 2023.

 

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